電流對功率型白光LED光學參數(shù)的影響分析

進入21世紀，隨著半導體技術和封裝技術的不斷進步，長期用于指示和顯示的半導體光源正向照明領域發(fā)展。以功率型白光LED為代表的半導體照明新興產品，其在照明市場的發(fā)展?jié)摿χ档闷诖?。獲得白光LED常用的途徑是在藍光LED芯片表面上涂覆一層$熒光粉(YAG:Ce3+)。功率型LED與普通LED相比，芯片尺寸較大，需要更大的驅動電流，以發(fā)出更明亮的光，但伴隨著產生更多的熱量會對功率型白光LED的光學電學參數(shù)及器件的穩(wěn)定性有影響。

　　目前，LED光學參數(shù)的測量方法在國內外還處在探討之中，LED是一種電致發(fā)光器件，當電子與空穴發(fā)生輻射復合時，能量以光子形式發(fā)出，所以注入電流對LED發(fā)光的光學特性有直接影響。

　　1、對色坐標的影響

　　現(xiàn)在LED的發(fā)光顏色越來越豐富，LED的色坐標參數(shù)是LED重要的物理參數(shù)之一，隨著注入電流的增加，器件出光的色坐標在一定程度上減小，如圖1所示。

圖1 色坐標隨電流的變化

　　2、對色溫的影響

　　當一絕對黑體加熱時，發(fā)出光的顏色與被測試光源光色相近時，該黑體的溫度稱為光源的相關色溫。就目前最常采用的實現(xiàn)白光的方案而言，當涂覆的$熒光粉較多時，出射的白光光譜中藍光成分較少，器件色溫較低;當$熒光粉較少時，出射的白光光譜中藍光成分較多，色溫較高。

圖2 相關色溫與正向電流的關系

　　從圖2中可以看出，隨著器件的驅動電流增加，功率型白光LED的色溫從100mA電流時的5636K增加到350mA電流時的5734K。這是因為，電流加大后，芯片發(fā)出的藍光增多，$熒光粉層的厚度是一定的，則在出射的白光中藍光成份增加，從而使器件的色溫增加。

　　3、對主波長的影響

　　在CIE1931色度圖中，由標準白光點E(0.333，0.333)與測得的色坐標點連接并延伸，與380~760nm的光譜軌跡相交，交點所在處的波長即為該色坐標點的主波長。

　　隨著電流增加，器件出光的主波長在減小，這是因為電流增加，色坐標減小，標準白光點和色坐標點的連線的延長線與380~760nm的光譜軌跡相交點對應的波長值變小。

圖3 主波長與電流的關系曲線

圖4 光通量與電流的關系曲線

　　4、對光通量的影響

　　發(fā)光二極管在調節(jié)光通量方面具有一定的優(yōu)勢，器件的光通量隨著電流增加而增加，在100mA~250mA，光通量增加率為126.2%;從250mA~350mA時，電流的增加輻度較小且呈非線性增加，增加率為30.4%。PN結是發(fā)光二極管的核心部分，電流增加后，注入到發(fā)光區(qū)的電子和空穴數(shù)量增加，發(fā)生輻射復合的數(shù)量也會增加，器件的光通量增加。但當注入電流繼續(xù)增加到某一值時，光通量輸出不再增加，趨于飽和。

圖5 電流對發(fā)光效率的影響

　　5、對發(fā)光效率的影響

　　當電流增加時，注入發(fā)光區(qū)的電子發(fā)生非輻射復合的幾率變大，使器件的內量子效率降低，同時，由于電流增加導致器件的溫度升高，使熒光粉的量子效率降低并進一步增加了非輻射復合的幾率。在圖5中，由于驅動電流在正常的工作電流內，器件的發(fā)光效率雖有一定的降低，但變化的幅度并不大。

　　6、對峰值波長的影響

　　在LED發(fā)光譜中，最高峰對應的波長稱為LED的峰值波長。在測試峰值波長時，都是點亮1分鐘后才開始測試的，這是由于同時考慮了時間和電流的影響，長時間加熱導致了峰值波長向長波方向偏移，而電流的增加使峰值波長向短波方向偏移。藍光LED器件都是以GaN基制成的，GaN基發(fā)光器件穩(wěn)定性較好，在熱平衡時，不同的電流，器件發(fā)光峰位置幾乎不變。

　　7、對顯色指數(shù)的影響

　　顯色指數(shù)(Ra)也是白色照明光源的一個重要指標，它是用來測量光源照到被照射物體上面，還原被照射物體所有顏色能力的指標，作為照明用的光源要求顯色指數(shù)越高越好，一般要求80以上，國際照明委員會(CIE)推薦的參考光源是Planck黑體輻射體，日常生活中的白熾燈的顯色指數(shù)接近100。

圖6 電流對顯色指數(shù)的影響

　　由于藍光LED與$熒光粉組成的白光系統(tǒng)，其光譜中缺少紅光成分，顯色指數(shù)還不理想，這也是目前業(yè)界研究的重點課題。顯色指數(shù)與光譜成分有關，電流增加但并不影響出光的光譜的分布，所以器件的顯色指數(shù)幾乎沒有變化。

　　8、小結

　　LED是一種電致發(fā)光器件，器件發(fā)光的各光學參數(shù)與流過器件的電流有直接的關系。隨著電流的增加，功率型白光LED的色溫會有一定的升高，色坐標(x，y)小，光通量增加但發(fā)光效率降低。作為照明用的功率型白光LED的主要技術指標隨電的變化而變化，但變化幅度不大，基本保持穩(wěn)定，另外白光LED具有節(jié)能、長壽命和無污染等優(yōu)點，所以白光LED是下一代照明光源的理想選擇。